Điều khiển điện trong mạch khí

1. Khái quát chung

Chúng ta biết rằng việc điều khiển 1 xy-lanh khí có thể thực hiện bằng các van tay, cơ khí, khí và điện, … Trong đó, điều khiển bằng điện là tối ưu nhất và dòng điện dễ điều khiển hơn. Điều này cho thấy điện năng đóng vai trò quan trọng trong vấn đề điều khiển 1 hệ thống khí. Dòng điện được điều khiển bằng các công tắc sau đó điều khiển van khí. Những van được điều khiển bằng điện thì được gọi là van điện từ.

Van điện từ là loại van kết hợp ưu điểm của 2 dạng năng lượng: điện và khí vì thế những van này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển khí sử dụng điện như là phần tử trung gian được gọi là hệ thống điện khí (electro-pneumatic system). Những công tắc áp lực, công tắc giới hạn, và các dạng rơ-le khác nhau, … cũng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện khí. Chúng tác động nhanh và chính xác, tuổi thọ cao, ít bảo dưỡng và tiêu thụ ít năng lượng. Nói chung không chỉ van điều khiển hướng được điều khiển bằng điện mà các loại van khác cũng có thể điều khiển bằng điện nếu cần. Tuy nhiên, điều khiển điện trong hệ thống khí không nên sử dụng ở những nơi nguy hiểm dễ cháy, dễ nổ.

Một hệ thống điện khí có thể bao gồm các phần tử thực hiện là khí còn phần tử điều khiển là điện. Phần điện cơ ở đây là các van điện từ, được điều khiển bằng nút ấn, rơ-le, contactor, ngắt hành trình, … Cũng có hệ thống điện khí mà cơ cấu thực hiện là điện còn phần tử điều khiển là khí hoặc kết hợp cả 2 loại. Một vài phần tử điện khí hoặc điện cơ được sử dụng trong điều khiển điện khí. Trong một mạch điện khí nói chung gồm có các van điều khiển hướng điện từ, các ngắt hành trình, các cảm biến áp suất.

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, việc điều khiển không chỉ dừng lại ở lĩnh vực điện mà nó đang từng bước thay dần bằng các thiết bị lập trình, phần mềm (PLC, vi xử lý, …). Ưu điểm của nó có thể thay đổi qui luật điều khiển một cách dễ dàng, ít bảo dưỡng, tác động nhanh so với hệ thống điều khiển hoàn toàn bằng điện, cơ khí. Để thấy rõ điều này chúng ta lần lượt đi vào phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng các phần tử điều khiển này.

2. Van điện từ

2.1. Cơ cấu nam châm

Van điều khiển hướng thường được tác động bởi nam châm điện. Nam châm điện là thiết bị bao gồm 1 cuộn dây dẫn điện bao quanh một lõi thép. Nó tạo ra lực hút khi có dòng điện chạy qua cuộn dây và lực hút sẽ mất khi dòng điện bị ngắt đi.

Hình 1. Nguyên lý cấu tạo nam châm điện trong van điện từ.

2.2. Cấu tạo van điện từ

Van điều khiển khí tác động bằng nam châm điện được gọi là van điện từ. Van điện từ là 1 phần tử cơ điện có thể chuyển đổi năng lượng điện thành cơ dưới dạng lực hoặc dạng chuyển động cơ khác. Đối tượng điều khiển của nó trong hệ thống điện khí là xy-lanh khí.

Van điện từ phải thỏa mãn những yêu cầu sau:

Tác động nhanh và dứt khoát,
Tuổi thọ cao,
Ít phải bảo dưỡng và sửa chữa,
Hiệu suất cao.

Có 2 loại van điện từ:

Loại 1 chiều và
Loại xoay chiều.

Với van điện từ 1 chiều thì mạch từ và lõi động là 1 lõi thép đồng nhất, nhưng với van điện từ xoay chiều thì mạch từ và lõi động được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện nhằm tránh dòng xoáy đốt nóng mạch từ của van. Việc sử dụng van điện từ 1 chiều hay xoay chiều phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống điều khiển. Tuy nhiên, van điện từ 1 chiều được sử dụng phổ biến hơn vì nó có lực hút dứt khoát và ổn định hơn cũng như đáp ứng thời gian tốt hơn.

Hình 2 mô tả nguyên lý cấu tạo của 1 van điện từ đơn giản. Nó bao gồm các phần chính sau: lõi thép động 5 (còn gọi là phần ứng), cuộn dây 3, ti van chính 1, lò xo định vị ti chính 6, lò xo phản kháng phần ứng nam châm 8, cơ cấu tác động bằng tay 7, jack cắm cho cuộn hút 4 và cơ cấu nối 2.

Nguyên lý làm việc như sau: khi cho dòng điện qua cuộn dây 3, sẽ tạo ra một từ thông móc vòng qua mạch từ và lõi thép động 5, tạo ra lực điện từ tác động lên lõi thép động 5 và làm cho nó dịch chuyển theo hướng làm giảm từ trở của mạch từ, tức là làm cho lõi thép chuyển động về phía bên phải. Khi lõi thép chuyển động thì sẽ tác động lên ti chính 1 làm ti chính dịch chuyển sang trái và kết quả là cửa P nối với cửa A và cửa B nối với cửa T của van.

Khi không cấp dòng điện cho cuộn hút 3 thì lúc này lực điện từ mất lò xo phản kháng 8 sẽ đẩy lõi thép động 5 dịch chuyển về phía bên trái và đồng thời lò xo 6 sẽ đẩy ti chính của van dịch chuyển về phía bên trái và kết quả là cửa P nối với của B và cửa A nối với cửa T của van.

Hình 2. Cấu tạo van điện từ 3/2.

Hình 3 là một số dạng cuộn hút (coil) của van điện từ.

Hình 3. Cuộn hút van điện từ.

3. Công tắc hành trình

Công tắc hành trình là một thiết bị điện cơ dùng để cảm biến vị trí và trạng thái của các thiết bị khí trong hệ thống. Công tắc hành trình được tác động bởi các phần tử khi chúng đạt đến vị trí đặt trước của chúng. Cơ cấu tác động có nhiều dạng khác nhau, có thể là con trượt, cần lật, cẩn đẩy, đòn bẩy, … Về quan điểm điều khiển, tốc độ tác động chuyển mạch của ngắt hành trình là rất quan trọng. Nếu công tắc hành trình tác động chậm thì sẽ tạo ra hồ quang điện lớn. Các công tắc hành trình thường có 3 cực: 1 chung, 1 thường đóng và 1 thường mở. Cũng có loại 4 cực: 2 cực của tiếp điểm thường đóng và thường mở tách biệt nhau. Hầu hết các công tắc hành trình là loại cần đẩy và có lò xo hồi, dùng với cấp điện áp 24V, dòng qua tiếp điểm khoảng cỡ 2A. Lực tác động lên cần đẩy thường trong khoảng 5 – 10N.

Hình 4. Công tắc hành trình.

4. Công tắc và tiếp điểm

Công tắc và tiếp điểm là thiết bị dùng để đóng ngắt van điện từ, yêu cầu phải có những đặc điểm sau:

Tiếp xúc và dẫn điện tốt, thường làm bằng đồng thau,
Có đế và vỏ cách điện tốt,
Có cơ cấu tác động (nút nhấn, tay gạt chìa khóa, …) cách điện tốt để an toàn trong vận hành khai thác,
Hoạt động tin cậy, an toàn, tuổi thọ cao, …

Công tắc cũng như tiếp điểm có các loại 1 cực, 2 cực, 3 cực và 4 cực.

Trong hệ thống điện khí, công tắc dạng nút nhấn thường được dùng khi khởi động và dừng hệ thống và chỉ dùng để cung cấp cho các van điện từ công suất nhỏ.

Hình 5. Công tắc.

5. Relay điện từ

Relay là thiết bị điện từ được sử dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển tự động. Chúng tương đối nhỏ nhưng có khả năng điều khiển tải lớn và ở xa với hiệu suất và độ chính xác cao.

Relay gồm 1 nam châm điện lai một vài tiếp điểm và có thể điều khiển các tiếp điểm này đóng hoặc mở. Relay có nhiều ứng dụng, chẳng hạn như: dùng để chuyển mạch tín hiệu, khuếch đại tín hiệu, có khả năng nhớ trạng thái cũng như truyền hoặc đảo tín hiệu. Các tiếp điểm của relaycó thể là thường đóng (NC) hoặc thường mở (NO). Ở trạng thái nghỉ của relay, cuộn hút không được cấp điện thì các tiếp điểm thường mở mở ra, còn các tiếp điễm thường đóng thì đóng lại. Ngược lại, ở trạng thái làm việc, khi cuộn hút được cấp điện thì tiếp điểm thường mở đóng lại, còn tiếp điểm thường đóng mở ra.

Hình 6. (a) Relay+ đế; (b) Ký hiệu Relay trên bản vẽ
(c) Sơ đồ chân Relay.

Ký hiệu trên bản vẽ một số thiết bị điện thường dùng trong mạch điện khí.

6. Các phương thức chuyển mạch

Các xy-lanh khí có thể được điều khiển bằng điện theo nhiều cách khác nhau. Hình 7 mô tả 1 xy-lanh tác động kép được điều khiển bởi 1 van điện từ 4/2.

Hình 7. Các phương thức chuyển mạch.

Trong sơ đồ minh họa có 4 khả năng chuyển mạch:

Chuyển mạch trực tiếp (hình 7b): van điện từ được điều khiển trực tiếp bởi nút nhấn S thông qua việc cung cấp điện cho cuộn hút C của van.
Chuyển mạch gián tiếp (hình 7c): van điện từ được điều khiển gián tiếp thông qua tiếp điểm của rơ-le điều khiển R.
Chuyển mạch gián tiếp có nhớ (hình 7d): van điện từ được điều khiển gián tiếp thông qua tiếp điểm của rơ-le điều khiển . Chức năng của mắc song song với S là để nhớ trạng thái tác động của nút nhấn .
Chuyển mạch gián tiếp có nhớ (hình 7e) và trở về tự động thông qua tiếp điểm ngắt hành trình.

7. Mạch điện khí

Van điều khiển điện từ có thể là van 2/2, 3/2, 4/2, 5/2, … Bộ phận cơ khí của các van này không khác gì mấy so với các van khí thông thường ngoại trừ một số loại có bộ phận cơ khí đặc biệt để dễ dàng lắp ráp ở một số nơi có yêu cầu riêng. Phụ thuộc vào số lượng van điện từ sử dụng mà chúng có thể là van điện từ đơn, van điện từ kép hoặc van điện từ có lò xo hồi, … Chức năng của chúng tương tự các van khí trong mạch khí. Một số thiết bị khí cần được sử dụng như van điều chỉnh lưu lượng, bộ giảm áp, … kết hợp với van điện từ.

8. Các ví dụ về sơ đồ điện khí đơn giản

Bài 1: Điều khiển một xy-lanh tác động đơn dùng van điện từ có lò xo hồi.

Hình 8. Điều kiển xy-lanh tác động đơn
a-Mạch khí nén động lực; b-Mạch điều khiển điện.

Bài 2: Điều khiển xy-lanh tác động kép bằng van điện từ 4/2 có lò xo hồi. Sơ đồ mạch như hình 9b.

Hình 9. Điều kiển xy-lanh tác động đơn
a-Mạch khí nén động lực; b-Mạch điều khiển điện.

Bài 3: Điều khiển xy-lanh tác động kép dùng van điện từ kép.

Hình 10. Điều kiển xy-lanh tác động đơn
a-Mạch khí nén động lực; b-Mạch điều khiển điện.

Bài 4: Điều khiển xy-lanh tác động kép với van điện từ có lò xo hồi. Thiết kế mạch điều khiển có nhớ.

Hình 11. Điều kiển xy-lanh tác động đơn
a-Mạch khí nén động lực; b-Mạch điều khiển điện.

Bài 5: Một xy-lanh tác động kép thực hiện hành trình ra nhờ van điện từ, hành trình vào được thực hiện sau một thời gian trễ.

Hình 12. Điều kiển xy-lanh tác động kép
a-Mạch khí nén động lực; b-Mạch điều khiển điện.

Bài 6: Một chuỗi 2 xy-lanh tác động làm việc theo biểu đồ bước như hình vẽ. Hãy thiết kế mạch điều khiển điện khí theo yêu cầu.

Hình 13. Điều kiển xy-lanh tác động đơn
a-Sơ đồ bước vị trí của chuỗi; b-Mạch khí nén động lực;
c-Mạch điều khiển điện.

Bài 7: Để tháo bu-lông và đai ốc, cần thiết kế một hệ thống khí gồm xy-lanh giữ, xy-lanh cấp và xy-lanh chuyển. Việc vặn ốc được thực hiện bởi một thiết bị vặn ốc khí nối với mạch. Yêu cầu mạch hoạt động ở 2 chế độ tay và tự động. Thiết kế mạch điện và khí điều khiển cho hệ thống trên.

Các thiết bị được sử dụng gồm:

b₁ là nút nhấn dừng sự cố.
b₂ là chuyển mạch chọn chế độ hoạt động cho hệ thống.
b₃ điều khiển kẹp.
b₄,b₅ điều khiển kẹp bằng tay.
b₆,b₇ điều khiển vận chuyển tự động.
b₈ điều khiển khối cung cấp tự động.
b₉,b₁₀ điều khiển khối cung cấp bằng tay.
b₁₁,b₁₂ điều khiển vận chuyển bằng tay.
b₁₃,b₁₄ điều khiển thiết bị vặn ốc bằng tay.
b₁₅ điều khiển thiết bị vặn ốc tự động.